基于DSP的數據采集系統(tǒng)開發(fā)與實現

0 引言
    現代工業(yè)生產中，生產規(guī)模不斷擴大，朝著大型化、高速化、自動化和連續(xù)化的方向發(fā)展。因此對機械設備性能的要求也越來越高。很多大型石油、化工、石化、電力、鋼鐵等部門都采用了單機、滿負荷、連續(xù)性的生產操作方式，其中的大型旋轉機械就成為了現代化大規(guī)模生產中的關鍵設備。一旦出現停機故障，將導致全廠的停產，其經濟損失是十分巨大的。同時還有可能招致重大的傷亡事故。由此，大型旋轉機械的在線狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷技術便應運而生。而如何獲得大量而廣泛的狀態(tài)量(振動、力、位移、噪聲、溫度、壓力和流量等)是其中的關鍵。本文介紹的基于TMS320F2812的多功能同步數據采集卡，利用卡上的DSP控制芯片不僅可以實現多種數據的采集，還可以對所采集的數據進行實時的信號處理，大大地提升了整個系統(tǒng)的性能。

1 TMS320F2812體系結構
    TMS320F2812是TMS320C28X系列芯片中性能最好的一種，最高頻率為150MHz，處理速度可達150MIPS，指令周期為6．67ns。
    同TMS320C2000TM平臺中前代產品相比，F2812的程序總線包括22位的地址總線和32位的數據總線，數據總線包括32位的地址總線和32位的數據總線。較之C24X／C240X的16位地址總線，F2812大幅提高了可尋址范圍。同時，32位的數據總線可以實現單周期的32位指令。其片內的32×32位MAC具有處理64位數的能力，可用于處理高精度的數字運算，完全可以替代其它更貴的浮點數處理器。在振動信號的頻譜分析中，這種優(yōu)勢就更為明顯了。在中斷響應方面，F2812自動保存上下文的功能加快了中斷響應速度，用戶可以在更短的時限內完成更多的異步事件，這在多路信號采集系統(tǒng)中大幅提高了系統(tǒng)的實時性。
    在外設方面，F2812也有不少新特點。除了保留前代產品的4個16位通用定時器以外，F2812又增加了3個32位的定時器?？筛奖愕貙崿F大范圍轉軸轉速信號的采集，以及提供更為靈活的數據采樣模式。F2812內部擁一個12位的增強型A／D轉換器，其A／D轉換速率高達80ns。而其中的兩個獨立的8路模擬開關給用戶提供了同時采集不同種類信號的實現方法。在片內存儲器方面，F2812包括128K字的FLASHMEMORY、1K字的0TPMEMORY和18K字的片上RAM和4K字的BOOT ROM。豐富的片上存儲資源可滿足用戶處理大量數據的需求。在安全方面，F2812采用128位的密碼來保護用戶的程序。

2 數據采集卡的硬件實現
    數據采集卡的硬件實現利用F2182的眾多新特性，數據采集卡可以處理：16路異步或同步模擬信號、16路數字信號、6路轉速信號。采用PCI接口與上位機相連。其系統(tǒng)結構如圖1所示。

2．1 轉速信號采集的實現
    根據工業(yè)現場中旋轉機械的實際情況，數據采集卡采集的轉速范圍一般為30～18000r／min(周期范圍為33ms～2s)。如此大的轉速范圍對定時器的計數脈沖和計數位數都提出了要求。若定時器計數脈沖過大，則分辨率降低；但是如果計數脈沖太小，則需要計數器的位數足夠大。
    C2000TM系列的前代產品內置16位定時器很難滿足要求，一般常用多個定時器級連來達到要求，而F2812新增的3個32位定時器則彌補了前系列DSP產品的不足。
    F2812的事件管理模塊EV共有6個捕獲單元，每個單元的施密特觸發(fā)器可以捕獲到相關引腳的跳變?？杀O(jiān)測的跳變可以是上升沿、下降沿或者兩者都監(jiān)測。利用捕獲單元的中斷功能和定時器就可以很容易地實現對轉速周期的測量，并且為轉軸的振動測試提供采樣的基頻。其測量流程如圖2。

2．2 模擬信號采集的實現
    TMS320F2812芯片中集成了一個偽雙12位A／D轉換器模塊。該模塊內部實際上只有一個A／D轉換器，在內部邏輯的控制下它可以很快的速度連續(xù)采樣轉換兩次，相當于兩個A/D轉換器。用戶可以同時啟動這兩個A／D轉換器進行采樣，也可以啟動某個A／D轉換器，讓它連續(xù)采樣兩次。
    同傳統(tǒng)A／D相比，嵌入式A／D具有如下的特點：在A／D模塊的硬件資源配置好了之后，用戶可以用軟件指令隨時啟動A／D采樣，并獲得A／D轉換的結果。同傳統(tǒng)A／D不同的是，采集功能單元的硬件資源配置還有一部分是通過軟件完成的。
    利用F2812內部增強型A／D可以在一塊采集卡上實現對同步、異步模擬信號的采集和A／D轉換。其示意圖如圖4所示。

    在F2812片內有兩個獨立的8路模擬開關，既可以單獨使用也能級連使用。如圖4所示同步信號送入ADCINA模塊，其它信號直接送入ADCINB模塊，然后由DSP內部的12位A／D轉換模塊進行A／D轉換。用戶還可以根據實際應用對外部采樣電路進行調整，以滿足不同的要求。
    運用TMS320F2812片內集成的A／D轉換器進行數據采集。程序首先對A／D進行初始化，當A／D非常忙時，啟動16個A／D通道進行轉換，主程序進入死循環(huán)；當A／D正常轉換完畢后，進入中斷服務子程序。中斷服務程序將16個A／D轉換結果讀入數組al[16]中，并再次啟動16個A／D通道進行轉換，如此循環(huán)往復。程序設計使用C++語言編寫源程序。A／D初始化子程序框圖如圖6所示。中斷服務子程序流程如圖7所示。

2．3 數字信號采集的實現
    數字信號可以利用F2812的數字I／0直接獲得。F2812共有多達56個I／0共享引腳。多數I／0既可以作為普通的I／0引腳，也可以作為其它功能引腳。通過對I／0控制寄存器編程可以指定這些共享引腳是I／0還是其它功能引腳。當引腳為I／0時，讀出I／0模塊的數據和方向寄存器相應位的結果就可以得到所測數字信號的值了。如果讀出的結果為0，則相應引腳為低電平；結果為l，則相應引腳為高電平。

3 數據采集卡的軟件模塊
    數據采集卡上的軟件主要分為系統(tǒng)配置、轉速采集、模擬信號采集轉換、數字信號采集、數據處理和上位通信等模塊。在實際應用中可以根據需求進行配置。

4 結束語
    該開發(fā)平臺運用于石油化工領域內的煙氣輪機振動故障檢測中流量、溫度、壓力、密封差壓、各點振動位移、催化劑含塵量等參數的模擬數據采集，通過分析可以看出因為TMS320F2812芯片內包含了A／D和SRAM，SRAM代替了價格昂貴的FIFO，所以這種采集方法可以大大提高采樣速度和精度，并且可以降低硬件設計的成本和時間，為下一步基于DSP實時數字信號處理和分析設計奠定了良好的基礎。